JP2021523287A - Phase change barrier and how to use it - Google Patents
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Abstract
凝縮または霜形成などの相変化の発生を防止するまたは遅延させるための改質表面およびその使用方法が提供される。本発明は、凝縮および結晶化などであるがこれらに限定されない核形成相変化に対するエネルギー障壁、または核形成相変化に必要な推進力を増加させる表面、ならびに、防曇ガラス用途および顕熱冷却のみを必要とするシステムにおける熱交換器上での凝縮の防止などのその使用方法に関する。
【選択図】図2Modified surfaces and methods of use thereof are provided to prevent or delay the occurrence of phase changes such as condensation or frost formation. The present invention is limited to energy barriers to nucleation phase changes such as, but not limited to, condensation and crystallization, or surfaces that increase the propulsive force required for nucleation phase changes, as well as anti-fog glass applications and sensible heat cooling. With respect to its use, such as prevention of condensation on heat exchangers in systems that require.
[Selection diagram] Fig. 2
Description
関連出願の相互参照
[01]本出願は、2018年5月10日に出願された米国仮出願第62/669,507号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
Cross-reference of related applications
[01] This application claims the interests of US Provisional Application No. 62 / 669,507 filed May 10, 2018, which is incorporated herein by reference in its entirety.
[02]本発明は、凝縮および結晶化などであるがこれらに限定されない核形成相変化に対するエネルギー障壁、または核形成相変化に必要な推進力を増加させる表面、ならびに、防曇ガラス用途および顕熱冷却(sensible cooling)のみを必要とするシステムにおける熱交換器上での凝縮の防止などのその使用方法に関する。 [02] The present invention is an energy barrier against nucleation phase changes such as, but not limited to, condensation and crystallization, or surfaces that increase the propulsive force required for nucleation phase changes, as well as anti-fog glass applications and sensible heat. It relates to its use, such as prevention of condensation on a heat exchanger, in a system that requires only sensible cooling.
[03]低エネルギー表面上での典型的な凝縮は、核形成時に丸い液滴を生じず、むしろ水および他の凝縮物が、応力を受けた、接触角がより低い状態で凝縮する。脱濡れ状態と比較して、濡れ状態を介した核形成における接触面積の差は、液滴形成のエネルギー障壁をシフトさせる(即ち、凝縮プロセスのエネルギー障壁を改変する)可能性がある。典型的な表面は、露点で空気中の水を凝縮させる。多くの場合、凝縮は、周囲以下の冷却を利用するコンピュータもしくはデータセンターなどの電子機器が配置された表面、または窓、レンズ、および鏡などの視認性が望まれるガラス表面上では、望ましくない。 [03] Typical condensation on low-energy surfaces does not produce round droplets during nucleation, but rather water and other condensates condense at a stressed, lower contact angle. Differences in contact area in nucleation through the wet state as compared to the dewetting state can shift the energy barrier of droplet formation (ie, modify the energy barrier of the condensation process). A typical surface condenses water in the air at the dew point. Condensation is often undesirable on surfaces where electronic devices such as computers or data centers that utilize sub-ambient cooling are located, or on glass surfaces where visibility is desired, such as windows, lenses, and mirrors.
[04]熱伝達面からの凝縮物を防止するための解決策は、通常、冷却剤温度を露点より有意に高く保つ必要があり、それは、熱伝達容量の低下を招き、作動範囲を限定する可能性がある。多くの場合、冷却剤温度は、容量を可能な限り高く維持しつつ凝縮を防止するため、システム制御で許容される最小量まで下げられる。システムに対する制御または入力エラーが発生した場合、表面上に水が凝縮して潜在的に電子機器を破壊するリスクが存在する。冷却剤温度と凝縮の効果的な発生との最大差を可能にしつつ、熱伝達を最大化するために可能な最低冷却剤温度を可能とするための解決策が必要とされている。現在、この凝縮の発生は、露点である。 [04] The solution to prevent condensate from the heat transfer surface usually needs to keep the coolant temperature significantly above the dew point, which leads to a decrease in heat transfer capacity and limits the working range. there is a possibility. In many cases, the coolant temperature is lowered to the minimum amount allowed by system control to prevent condensation while keeping the volume as high as possible. In the event of control or input errors to the system, there is a risk of water condensing on the surface and potentially destroying the electronics. A solution is needed to allow the lowest possible coolant temperature to maximize heat transfer, while allowing the maximum difference between the coolant temperature and the effective generation of condensation. Currently, the occurrence of this condensation is the dew point.
[05]シャワー鏡、自動車用ガラス、および建物の窓などのガラス窓および鏡の結露および曇りも問題である。典型的な解決策は、現在、タオルもしくはスキージーを使用して凝縮物を拭き取ること、または親水性コーティングを使用して凝縮物を拡散させて薄膜にし、依然として窓越しに見える、または鏡の中の反射像が見えるようにすることである。これらの親水性コーティングは、凝縮を加速させ、表面に汚染物質を堆積させて、洗浄頻度の増加をもたらすという点で、問題がある。 [05] Condensation and fogging of glass windows and mirrors such as shower mirrors, automotive glass, and building windows are also a problem. A typical solution is now to wipe the condensate with a towel or squeegee, or use a hydrophilic coating to diffuse the condensate into a thin film that is still visible through the window or in the mirror. It is to make the reflected image visible. These hydrophilic coatings are problematic in that they accelerate condensation and deposit contaminants on the surface, resulting in increased cleaning frequency.
[06]古典的な核形成理論によると、均一核形成の自由エネルギーは、体積項と表面項の和、ΔGhomo=4/3(πr3)Δg+4πr2σ[式中、rは形成相の球の半径、Δgは過飽和相の単位体積当たりの自由エネルギーと核形成相の自由エネルギーの差、σは核とその周囲との界面の表面張力である]と定義される。ΔGhomo *の自由エネルギー障壁を伴う形成の臨界半径r*は、d(ΔGhomo)/dr=0を取ることによって計算できる。この導関数がゼロとなる半径がr*=−2σ/Δgに対応する。次いで、均一核形成の自由エネルギーが、ΔGhomo *=ΔGhomo(r*)=16πσ3/(3(Δg)2)として定義できる。不均一核形成は、蒸気から液体への相変化について、表面上での接触角(θ)の関数として決定できるエネルギー障壁がより低い。この関係は、ΔGhetero *=f(θ)ΔGhomo *[式中、f(θ)=(2−3cosθ+cos3θ)/4である]として近似させることができる。 [06] According to classical nucleation theory, the free energy of uniform nucleation is the sum of the volume term and the surface term, ΔG homo = 4/3 (πr 3 ) Δg + 4πr 2 σ [in the equation, r is the formation phase. The radius of the sphere, Δg is the difference between the free energy per unit volume of the hypersaturated phase and the free energy of the nucleation phase, and σ is the surface tension of the interface between the nucleus and its surroundings]. The critical radius r * of the formation with the free energy barrier of ΔG homo * can be calculated by taking d (ΔG homo ) / dr = 0. The radius at which this derivative becomes zero corresponds to r * = -2σ / Δg. Then, the free energy of uniform nucleation can be defined as ΔG homo * = ΔG homo (r * ) = 16πσ 3 / (3 ( Δg) 2). Heterogeneous nucleation has a lower energy barrier that can be determined as a function of the contact angle (θ) on the surface for the vapor-to-liquid phase change. This relationship can be approximated as ΔG hetero * = f (θ) ΔG homo * [in the equation, f (θ) = (2-3 cos θ + cos 3 θ) / 4].
[07]蒸気から液体への転移と同様に、多くの用途において、小さな寮の部屋の単位から工業規模の配送センターの単位に至るまで、様々なサイズの冷蔵庫または冷凍庫用の熱交換器表面上などで、液体から固体へ相転移の障壁を増加させることが望ましい。氷は、霜除去のためにシステムを定期的に停止させる必要があり、それが産業用途ではスループットを低下させ、多量のエネルギーを消費するため、これらの熱伝達システムにとっては問題である。加えて、霜除去装置ユニットは、大規模なものは高価である。 [07] Heat exchangers for refrigerators or freezers of various sizes, from small dormitory room units to industrial-scale distribution center units, on the surface in many applications, as well as the vapor-to-liquid transition. For example, it is desirable to increase the barrier of phase transition from liquid to solid. Ice is a problem for these heat transfer systems because it requires regular shutdowns of the system to defrost, which reduces throughput and consumes large amounts of energy in industrial applications. In addition, large-scale defrosting equipment units are expensive.
[08]着氷も、航空機翼および風車などの翼の表面では、問題である。航空機翼上の氷は、飛行にとって危険であり、離陸前に除去しなければならず、費用がかかる遅延が発生する。風車は氷を蓄積する可能性があり、それは、出力電力を著しく低下させる原因となり、ブレード表面から氷を飛ばすという安全上のリスクを生じさせる。 [08] Accretion is also a problem on the surface of wings such as aircraft wings and wind turbines. Ice on the wing of an aircraft is dangerous for flight and must be removed before takeoff, resulting in costly delays. Wind turbines can accumulate ice, which causes a significant reduction in output power and poses a safety risk of blowing ice off the blade surface.
[09]気液転移温度(例えば、露点)未満の気体(例えば、蒸気)相の凝縮を低減(例えば、防止もしくは遅延)する、または液体相の凝固(例えば、凍結)を低減(例えば、防止もしくは遅延)する方法、ならびにその方法を実施するためのシステム、装置、および組成物、またはその方法が行われるシステム、装置、および組成物が、本明細書において提供される。 [09] Reduce (eg, prevent or delay) condensation of gas (eg, vapor) phases below the gas-liquid transition temperature (eg, dew point), or reduce (eg, prevent) solidification (eg, freeze) of the liquid phase. A method of (or delaying), and a system, device, and composition for carrying out the method, or a system, device, and composition in which the method is performed are provided herein.
[10]一態様において、表面上での相変化の発生を防止するまたは遅延させるための方法が、本明細書において提供される。方法は、未改質表面と比較して、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁、または相変化に必要な推進力を増加させる改質表面を提供するステップと、流体流を、未改質表面上で相変化が起こり得る環境条件下で改質表面と接触させるステップとを含み、前記相変化が、未改質表面と比較して防止または遅延される。一実施形態において、相変化の発生を防止するまたは遅延させるための方法は、表面改質を含む改質表面を提供するステップであり、改質表面が、表面改質を含まないことを除き改質表面と同一の未改質表面と比較して、改質表面と接触している物質について、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁、または相変化に必要な推進力を増加させる、ステップと、少なくとも1つの第1の相(例えば、気体(例えば、蒸気)相および/または液体相)の物質を含む流体流を、未改質表面上で第2の相への相変化(例えば、気体から液体;液体から固体;気体から固体)が起こり得る環境条件下で改質表面と接触させるステップとを含み、未改質表面と比較して、改質表面上では第1の相から第2の相への相変化が防止または遅延される。 [10] In one aspect, methods for preventing or delaying the occurrence of phase changes on the surface are provided herein. The method provides an energy barrier against a phase change from the first phase to the second phase, or a modified surface that increases the propulsion required for the phase change compared to the unmodified surface, and the fluid. The phase change is prevented or delayed as compared to the unmodified surface, comprising contacting the stream with the modified surface under environmental conditions where phase change can occur on the unmodified surface. In one embodiment, a method for preventing or delaying the occurrence of a phase change is a step of providing a modified surface that includes surface modification, except that the modified surface does not contain surface modification. An energy barrier against a phase change from the first phase to the second phase, or the driving force required for a phase change, for a substance in contact with the modified surface compared to an unmodified surface that is identical to the quality surface. A fluid stream containing a step and a substance of at least one first phase (eg, a gas (eg, steam) phase and / or a liquid phase) to a second phase on an unmodified surface. It involves contacting the modified surface under environmental conditions where phase changes (eg, gas to liquid; liquid to solid; gas to solid) can occur, and is the second on the modified surface compared to the unmodified surface. The phase change from the first phase to the second phase is prevented or delayed.
[11]一部の実施形態において、少なくとも1つの第1の相は気体(例えば、蒸気)相を含み、第2の相は液体相を含み、相変化の防止または遅延は、表面上での、液体を形成する気体(例えば、蒸気)の凝縮の防止または遅延を含む。一実施形態において、気体相は水蒸気であり、流体流は空気であり、相変化の防止または遅延は、表面上での水蒸気の凝縮の防止または遅延を含む。 [11] In some embodiments, at least one first phase comprises a gas (eg, vapor) phase, the second phase comprises a liquid phase, and prevention or delay of phase change is on the surface. Includes prevention or delay of condensation of gases (eg, vapors) forming liquids. In one embodiment, the gas phase is water vapor, the fluid flow is air, and prevention or delay of phase change includes prevention or delay of condensation of water vapor on the surface.
[12]一部の実施形態において、少なくとも1つの第1の相は気体(例えば、蒸気)相を含み、第2の相は固体相を含み、気体(例えば、蒸気)は表面上で凝縮して液体(例えば、凝縮物)を形成し、相変化の防止または遅延は、表面上での、固体を形成する液体(例えば、凝縮物)の凝固の防止または遅延を含む。一実施形態において、気体相は水蒸気であり、流体流は空気であり、液体相は水凝縮物であり、相変化の防止または遅延は、表面上での、水霜または氷を形成する水凝縮物の凝固の防止または遅延を含む。 [12] In some embodiments, at least one first phase comprises a gas (eg, steam) phase, the second phase comprises a solid phase, and the gas (eg, steam) is condensed on the surface. Forming a liquid (eg, condensate) and preventing or delaying a phase change includes preventing or delaying the solidification of the solid-forming liquid (eg, condensate) on the surface. In one embodiment, the gas phase is water vapor, the fluid flow is air, the liquid phase is a water condensate, and the prevention or delay of phase change is water condensation that forms water frost or ice on the surface. Includes prevention or delay of solidification of objects.
[13]一部の実施形態において、少なくとも1つの第1の相は気体(例えば、蒸気)相と液体相を含み、第2の相は液体相を含み、相変化の防止または遅延は、表面上での、液体を形成する気体(例えば、蒸気)の凝縮の防止または遅延を含む。一実施形態において、気体相は水蒸気であり、液体相は液体水であり、流体流は空気であり、相変化の防止または遅延は、表面上での水蒸気の凝縮の防止または遅延を含む。 [13] In some embodiments, at least one first phase comprises a gas (eg, steam) phase and a liquid phase, the second phase comprises a liquid phase, and the prevention or delay of phase change is a surface. Includes prevention or delay of condensation of the liquid-forming gas (eg, steam) above. In one embodiment, the gas phase is water vapor, the liquid phase is liquid water, the fluid flow is air, and prevention or delay of phase change includes prevention or delay of condensation of water vapor on the surface.
[14]一部の実施形態において、少なくとも1つの第1の相は気体(例えば、蒸気)相と液体相を含み、第2の相は固体相を含み、表面は気体(例えば、蒸気)からの凝縮物を含み、および/または物質の液体を含み、相変化の防止または遅延は、表面上での、固体を形成する前記凝縮物および/または液体の凝固防止または遅延を含む。一実施形態において、気体相は水蒸気であり、表面上の液体相および液体は水であり、流体流は空気であり、表面は水蒸気および/または液体水の凝縮物を含み、相変化の防止または遅延は、表面上で水霜または氷を形成する表面上の水凝縮物および/または液体水の凝固の防止または遅延を含む。 [14] In some embodiments, at least one first phase comprises a gas (eg, steam) phase and a liquid phase, the second phase comprises a solid phase, and the surface is from a gas (eg, steam). Containing condensates and / or liquids of substances, prevention or delay of phase change includes prevention or delay of solidification of said condensates and / or liquids forming a solid on the surface. In one embodiment, the gaseous phase is water vapor, the liquid phase and liquid on the surface is water, the fluid flow is air, the surface contains water vapor and / or a condensate of liquid water, preventing phase change or Delays include prevention or delay of coagulation of water condensates and / or liquid water on the surface forming water frost or ice on the surface.
[15]一部の実施形態において、少なくとも1つの第1の相は気体(例えば、蒸気)相を含み、第2の相は固体相を含み、相変化の防止または遅延は、表面上での、固体を形成する気体(例えば、蒸気)の凝固の防止または遅延を含む。一実施形態において、気体相は水蒸気であり、固体は水霜または氷であり、相変化の防止または遅延は、表面上での、水霜または氷を形成する水蒸気の凝固の防止または遅延を含む。一実施形態において、気体相はCO2気体を含むかCO2気体であり、固体は凍結したCO2(CO2ドライアイス)であり、相変化の防止または遅延は、表面上での、CO2ドライアイスを形成するCO2気体の凝固の防止または遅延を含む。 [15] In some embodiments, at least one first phase comprises a gaseous (eg, vapor) phase, the second phase comprises a solid phase, and prevention or delay of phase change is on the surface. Includes prevention or delay of solidification of gases (eg, vapors) forming solids. In one embodiment, the gaseous phase is water vapor, the solid is water frost or ice, and prevention or delay of phase change includes prevention or delay of solidification of water vapor forming water frost or ice on the surface. .. In one embodiment, the gaseous phase is a CO 2 gas or a CO 2 gas, the solid is frozen CO 2 (CO 2 dry ice), and the prevention or delay of phase change is CO 2 on the surface. Includes prevention or delay of solidification of CO 2 gas forming dry ice.
[16]一部の実施形態において、改質表面は、第1の相から第2の相(例えば、気体(例えば、蒸気)から液体;気体(例えば、蒸気)から固体;液体から固体への転移)への平衡相転移値(equilibrium phase transition value)(例えば、温度)未満に過冷却(サブクール)(subcool)され、物質は依然として第1の相として存在する。様々な実施形態において、改質表面は、第1の相から第2の相への平衡相転移値よりも約0.25、0.5、1、2、3、5、または10℃のいずれかより多く下回る温度にサブクールされ、物質は依然として第1の相として存在する。 [16] In some embodiments, the modified surface is from a first phase to a second phase (eg, gas (eg, steam) to liquid; gas (eg, steam) to solid; liquid to solid. Subcooled below the equilibrium phase transition value (eg, temperature), the material is still present as the first phase. In various embodiments, the modified surface is at about 0.25, 0.5, 1, 2, 3, 5, or 10 ° C. than the equilibrium phase transition value from the first phase to the second phase. Subcooled to temperatures below or above, the material still exists as the first phase.
[17]様々な実施形態において、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁は、均一核形成エネルギーの約50、60、70、80、90、95、または99%のいずれかよりも大きい。 [17] In various embodiments, the energy barrier to the phase change from the first phase to the second phase is any of about 50, 60, 70, 80, 90, 95, or 99% of the uniform nucleation energy. Greater than
[18]一部の実施形態において、第1の相から第2の相への相変化は、改質表面上での物質の核形成を含む。核形成が起こる改質表面または表面コーティングは、例えば、障壁コーティング、化成(コンバージョン)(conversion)コーティング、またはそれらの組合せであってもよい。一部の実施形態において、核形成が起こる改質表面または表面コーティングは、ナノ構造化されている。一部の実施形態において、核形成が起こる改質表面または表面コーティングは、金属酸化物、例えば、堆積もしくは変換によって作り出された金属酸化物層、またはポリマー、例えば、アルキルもしくはフルオロアルキルモノマー単位を含有するポリマーを含む。一部の実施形態において、改質表面または表面コーティングは、末端アルキルまたはフッ素化化合物(複数可)を含む。 [18] In some embodiments, the phase change from the first phase to the second phase involves nucleation of the material on the modified surface. The modified surface or surface coating on which nucleation occurs may be, for example, a barrier coating, a conversion coating, or a combination thereof. In some embodiments, the modified surface or surface coating on which nucleation occurs is nanostructured. In some embodiments, the modified surface or surface coating on which nucleation occurs contains a metal oxide, eg, a metal oxide layer created by deposition or conversion, or a polymer, eg, an alkyl or fluoroalkyl monomer unit. Contains the polymer to be used. In some embodiments, the modified surface or surface coating comprises a terminal alkyl or fluorinated compound (s).
[19]一部の実施形態において、第1の相は主に水蒸気を含み、第2の相は液体水または水氷を含む。一部の実施形態において、第1の相は水蒸気を含む空気であり、第2の相は液体水または水氷である。一部の実施形態において、第1の相は液体水であり、第2の相は水氷である。一部の実施形態において、第1の相は二酸化炭素蒸気を含み、第2の相はドライアイスまたは固体CO2である。 [19] In some embodiments, the first phase comprises predominantly water vapor and the second phase comprises liquid water or water ice. In some embodiments, the first phase is air containing water vapor and the second phase is liquid water or water ice. In some embodiments, the first phase is liquid water and the second phase is water ice. In some embodiments, the first phase contains carbon dioxide vapor and the second phase is dry ice or solid CO 2 .
[20]一部の実施形態において、第1の相は気体蒸気を含み、第2の相は包接化合物を含む。例えば、物質は生の天然ガスであってもよく、第1の相は気体(例えば、蒸気)相を含み、第2の相は包接化合物を含む。一実施形態において、第1の相は気体(例えば、蒸気)または液体であり、第2の相は超臨界相である。 [20] In some embodiments, the first phase comprises gaseous vapors and the second phase comprises clathrate compounds. For example, the material may be raw natural gas, the first phase comprising a gas (eg vapor) phase and the second phase comprising clathrate compounds. In one embodiment, the first phase is a gas (eg, vapor) or liquid and the second phase is a supercritical phase.
[21]一部の実施形態において、物質は金属であり、第1の相は金属蒸気を含み、第2の相は凝縮した金属蒸気を含む。
[22]一部の実施形態において、形成の臨界半径以上の流体の凝縮液滴は、脱濡れのカシー・バクスター状態で存在する。一部の実施形態において、形成の臨界半径以上の流体の凝縮液滴は、それまで濡れたウェンゼル状態で存在していたものが、脱濡れしたカシー・バクスター状態で存在する。
[21] In some embodiments, the material is a metal, the first phase contains metal vapor and the second phase contains condensed metal vapor.
[22] In some embodiments, condensed droplets of fluid above the critical radius of formation are present in a dewetting Cassie-Baxter state. In some embodiments, condensed droplets of fluid above the critical radius of formation, which previously existed in the wet Wenzel state, are present in the dewetting Cassie-Baxter state.
[23]一部の実施形態において、改質表面は、熱交換器または熱伝達面の上にある。
[24]一部の実施形態において、改質表面は、ガラス、窓、鏡、またはレンズの表面の上にある。
[23] In some embodiments, the modified surface is above the heat exchanger or heat transfer surface.
[24] In some embodiments, the modified surface is on the surface of glass, windows, mirrors, or lenses.
[25]一部の実施形態において、改質表面は、凝縮が審美的に好ましい、または機能的に望ましい形で起こるように、ガラス構成要素上でパターンになっている。
[26]一部の実施形態において、改質表面は、コンピュータケースまたは冷却ラックの上にある。一部の実施形態において、改質表面は、気体気化器、例えば、気体気化器熱交換器の上にある。一部の実施形態において、改質表面は気化器デバイスの中にあり、改質表面は、気化器デバイス上での凝縮の形態での付着物を防止または低減する。
[25] In some embodiments, the modified surface is patterned on the glass component so that condensation occurs in an aesthetically or functionally desirable manner.
[26] In some embodiments, the modified surface is on a computer case or cooling rack. In some embodiments, the modified surface is on a gas vaporizer, eg, a gas vaporizer heat exchanger. In some embodiments, the modified surface is in the vaporizer device, which prevents or reduces deposits in the form of condensation on the vaporizer device.
[27]一部の実施形態において、改質表面は、エンジンまたは燃焼ノズルの中にあり、例えば、改質表面は、エンジンまたは燃焼ノズルにおける二酸化炭素の凝縮を防止または低減する。 [27] In some embodiments, the modified surface is in the engine or combustion nozzle, for example, the modified surface prevents or reduces the condensation of carbon dioxide in the engine or combustion nozzle.
[28]一部の実施形態において、改質表面は、産業向けの気体および/または液体用の処理装置の上にあり、例えば、改質表面は、処理装置における産業向けの気体および液体の処理中の水および気体水和物、ならびに/または包接化合物の形成を防止または低減する。一実施形態において、物質は生の天然ガスであり、相変化は、水和またはホスト−ゲスト錯体形成(host-guest complexing)(例えば、固体材料の形成)を含む。一部の実施形態において、第1の相は気体(例えば、蒸気)または液体であり、第2の相は超臨界相である。 [28] In some embodiments, the modified surface is on top of an industrial gas and / or liquid processing apparatus, for example, the modified surface is an industrial gas and liquid treatment in the processing apparatus. Prevents or reduces the formation of water and gaseous hydrates in and / or clathrate compounds. In one embodiment, the material is raw natural gas and the phase change involves hydration or host-guest complexing (eg, formation of a solid material). In some embodiments, the first phase is a gas (eg, vapor) or liquid and the second phase is a supercritical phase.
[29]一部の実施形態において、改質表面は、金属蒸気照明または高度なリソグラフィ装置の上にあり、例えば、改質表面は、金属蒸気照明または高度なリソグラフィ装置の作動中の金属蒸気の凝縮を防止または低減する。一実施形態において、均一性および堆積の防止は、高度なリソグラフィ装置の正確な動作にとって重要である。 [29] In some embodiments, the modified surface is on top of a metal vapor illumination or advanced lithography equipment, for example, the modified surface is of metal vapor illumination or metal vapor in operation of the advanced lithography equipment. Prevents or reduces condensation. In one embodiment, uniformity and deposition prevention are important for the accurate operation of advanced lithography equipment.
[30]別の態様において、未改質表面と比較して、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁、または相変化に必要な推進力を増加させる、本明細書に記載される改質表面を含む熱交換器または熱伝達面が提供され、改質表面を含まない熱交換器または熱伝達面と比較して、熱交換器または熱伝達面における相変化の発生が防止または遅延される。 [30] In another aspect, as compared herein, it increases the energy barrier to phase change from the first phase to the second phase, or the driving force required for the phase change. A heat exchanger or heat transfer surface that includes the modified surface described is provided, and the occurrence of phase changes in the heat exchanger or heat transfer surface compared to the heat exchanger or heat transfer surface that does not include the modified surface. Prevented or delayed.
[31]別の態様において、未改質表面と比較して、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁、または相変化に必要な推進力を増加させる、本明細書に記載される改質表面を含むガラス、窓、鏡、またはレンズが提供され、改質表面を含まないガラス、窓、鏡、またはレンズと比較して、ガラス、窓、鏡、またはレンズ上での相変化の発生が防止または遅延される。 [31] In another embodiment, the energy barrier to a phase change from the first phase to the second phase, or the driving force required for the phase change, is increased as compared to the unmodified surface. A glass, window, mirror, or lens containing the modified surface described is provided and is on the glass, window, mirror, or lens as compared to a glass, window, mirror, or lens that does not contain the modified surface. The occurrence of phase changes is prevented or delayed.
[32]別の態様において、未改質表面と比較して、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁、または相変化に必要な推進力を増加させる、本明細書に記載されるパターン化された改質表面を含むガラス構成要素が提供され、未改質表面と比較して、改質表面上での相変化の発生が防止または遅延される。例えば、パターン化は、審美的に好ましいおよび/または機能的な形で凝縮が起こるように、ガラス上に装飾的および/または機能的に望ましいパターンを提供できる。 [32] In another embodiment, the energy barrier against a phase change from the first phase to the second phase, or the driving force required for the phase change, is increased as compared to the unmodified surface, as described herein. Glass components are provided that include the patterned modified surface described to prevent or delay the occurrence of phase changes on the modified surface as compared to the unmodified surface. For example, patterning can provide a decorative and / or functionally desirable pattern on the glass such that condensation occurs in an aesthetically pleasing and / or functional form.
[33]別の態様において、未改質表面と比較して、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁、または相変化に必要な推進力を増加させる、本明細書に記載される改質表面を含むコンピュータケースまたは冷却ラックが提供され、改質表面を含まないコンピュータケースまたは冷却ラックと比較して、コンピュータケースまたは冷却ラック上での相変化の発生が防止または遅延される。例えば、改質表面は、電子機器またはそこに収容されたコンピュータ装置への結露に関連する損傷を防止または低減してもよい。 [33] In another embodiment, as described herein, it increases the energy barrier to phase change from the first phase to the second phase, or the driving force required for the phase change, as compared to an unmodified surface. A computer case or cooling rack containing the modified surface described is provided to prevent or delay the occurrence of phase changes on the computer case or cooling rack compared to a computer case or cooling rack that does not contain the modified surface. NS. For example, the modified surface may prevent or reduce condensation-related damage to electronic equipment or computer equipment contained therein.
[34]別の態様において、未改質表面と比較して、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁、または相変化に必要な推進力を増加させる、本明細書に記載される改質表面を含む気体気化器が提供され、改質表面を含まない気体気化器と比較して、気体気化器上での相変化の発生が防止または遅延される。例えば、改質表面は、内側の気化器熱交換器上での凝縮および/または霜を防止または低減してもよい。 [34] In another embodiment, as compared herein, it increases the energy barrier to a phase transition from a first phase to a second phase, or the driving force required for a phase transition. A gas vaporizer with the described modified surface is provided to prevent or delay the occurrence of phase changes on the gas vaporizer as compared to a gas vaporizer without the modified surface. For example, the modified surface may prevent or reduce condensation and / or frost on the inner vaporizer heat exchanger.
[42]高接触角の丸い状態で液滴を凝縮させる能力は、液滴形成のエネルギー障壁を増加させることにより、凝縮の有効発生温度をバルク露点未満に低下させる。本明細書において、核形成相変化に対するエネルギー障壁を増加させることにより、特定の環境条件下、例えば、温度および/または相対湿度下で、凝縮または霜形成の発生を防止するまたは遅延させる改質表面および方法が提供される。本明細書に記載される材料および使用方法は、凝縮および/または氷の形成が望ましくないシステムに適用可能である。更に、特定の用途において安全性を高める、またはそうしたシステムの安全もしくは効果的な作動のための環境条件の範囲を拡大するための方法が提供される。そうしたシステムの霜除去または乾燥を行う必要性を遅延または除去することによって性能を向上させるための方法も提供される。 [42] The ability to condense droplets in a rounded state with high contact angles reduces the effective temperature of condensation below the bulk dew point by increasing the energy barrier of droplet formation. As used herein, a modified surface that prevents or delays the occurrence of condensation or frost formation under certain environmental conditions, such as temperature and / or relative humidity, by increasing the energy barrier to nucleation phase changes. And methods are provided. The materials and methods described herein are applicable to systems where condensation and / or ice formation is not desirable. In addition, methods are provided to increase safety in specific applications or to extend the range of environmental conditions for the safe or effective operation of such systems. Methods for improving performance by delaying or eliminating the need for defrosting or drying of such systems are also provided.
[43]本明細書に記載される材料および方法によって対処される他の相変化現象としては、CO2システムからの固体二酸化炭素の形成、例えば、深海探査システムにおける包接水和物の形成、および気化システムにおける蒸気相化合物の凝縮が挙げられる。亜臨界および超臨界作動条件の両方で作動するシステムも、対象とされる。 [43] Other phase change phenomena addressed by the materials and methods described herein include the formation of solid carbon dioxide from CO 2 systems, such as the formation of clathrate hydrates in deep sea exploration systems. And the condensation of vapor phase compounds in the vaporization system. Systems operating in both subcritical and supercritical operating conditions are also covered.
[44]一部の実施形態において、熱交換器などのシステムは、本明細書に記載される表面改質を含まない同一のシステムと比較して、凝縮を起こすことなく、より低温で作動するか、より大きな温度変動を処理することができる。一部の実施形態において、核形成が5℃未満の超冷却(露点と表面温度の差)で抑制され得る。
[45]一部の実施形態において、表面改質は、ナノ構造の組成物を含む。
[44] In some embodiments, a system such as a heat exchanger operates at a lower temperature without causing condensation as compared to the same system that does not include the surface modifications described herein. Or it can handle larger temperature fluctuations. In some embodiments, nucleation can be suppressed by ultracooling below 5 ° C. (difference between dew point and surface temperature).
[45] In some embodiments, the surface modification comprises a nanostructured composition.
定義
[46]本明細書において提示される数値範囲は、範囲を規定する数値を含む。
Definition
[46] The numerical ranges presented herein include numerical values that define the range.
[47]「1つの(a)」、「1つの(an)」および「その(the)」は、文脈が別段の明確な指示をしない限り、複数形への言及を含む。
[48]「平衡相転移値」は、エネルギー障壁なしで相変化が熱力学的に起こり得る温度/圧力条件である。この相変化は、露点(例えば、凝縮)、霜点(例えば、結霜)、または凝固点(例えば、結晶化)のいずれかでの転移とすることができ、転移相が飽和状態に達すると起こる。「霜点」は、より低密度の固体水相の形成を指し、「凝固点」は、完全密度に近い氷の形成を指す。典型的には、水の場合、霜は雪のように白色で粉末状に見え、凍結/氷はより密度が高く、光学的に透明な氷である。
[47] "One (a)", "one (an)" and "the" include references to the plural unless the context dictates otherwise.
[48] An "equilibrium phase transition value" is a temperature / pressure condition in which a phase change can occur thermodynamically without an energy barrier. This phase change can be a transition at either the dew point (eg, condensation), the frost point (eg, frost), or the freezing point (eg, crystallization), which occurs when the transition phase reaches saturation. .. "Frost point" refers to the formation of a lower density solid aqueous phase, and "freezing point" refers to the formation of near-perfect ice. Typically, in the case of water, the frost looks white and powdery like snow, and the frozen / ice is denser, optically clear ice.
[49]「均一核形成エネルギー」は、古典的な核形成理論で定義されているように、核形成に対するエネルギー障壁ΔGhomo *を指す。
[50]「露点」は、液体水相が蒸気相よりもエネルギー的に有利である環境圧力および湿度条件の所与の一組の場合の温度である。これは、エネルギー障壁がない場合に凝縮が起こる点である。
[49] “Uniform nucleation energy” refers to the energy barrier ΔG homo * for nucleation, as defined in classical nucleation theory.
[50] A "dew point" is the temperature for a given set of environmental pressure and humidity conditions in which the liquid water phase is energetically more advantageous than the vapor phase. This is where condensation occurs in the absence of energy barriers.
[51]「接触角」は、接触面での表面と液体−蒸気界面との間の液体を通して測定される角度である。
[52]「自由表面エネルギー」は、界面(液体−蒸気、固体−液体、または蒸気−固体)のエネルギーを指す。高エネルギー表面は、低エネルギー表面よりも容易に濡れる。
[51] A "contact angle" is the angle measured through the liquid between the surface at the contact surface and the liquid-vapor interface.
[52] "Free surface energy" refers to the energy of an interface (liquid-steam, solid-liquid, or steam-solid). High-energy surfaces get wet more easily than low-energy surfaces.
[53]「障壁コーティング」は、物理的な障壁を形成し、そのため、望ましくない要素(例えば、水(「水分障壁」として);電解質(「腐食障壁」として)との接触を最小限に抑える。 [53] The "barrier coating" forms a physical barrier, thus minimizing contact with unwanted elements (eg, water (as "moisture barrier"); electrolytes (as "corrosion barrier"). ..
[54]「化成コーティング」は、反応物質が処理すべき表面と化学的に反応する表面層を指す。
[55]「ナノ構造」コーティングは、少なくとも1次元に100ナノメートル未満である特徴を有するコーティング組成物を指す。
[54] "Chemical coating" refers to a surface layer in which a reactant chemically reacts with the surface to be treated.
[55] “Nanostructure” coating refers to a coating composition characterized by being less than 100 nanometers in at least one dimension.
[56]「凝縮条件」は、表面が蒸気の露点未満に冷却される条件を指す。
[57]「顕熱」は、相が変化せずに気体または物体の温度が変化したことによる熱の量を指す。
[56] "Condensation condition" refers to the condition in which the surface is cooled below the dew point of steam.
[57] "Sensible heat" refers to the amount of heat due to a change in the temperature of a gas or object without changing the phase.
[58]「顕熱冷却容量」は、相変化の非存在下で材料に伝達できる熱の量を指す。
[59]「潜熱」は、温度変化なしで相を変化させる(例えば、固体相と液体もしくは気体相との間;または液体と気体相との間で)のに必要なエネルギー(例えば、熱)の量を指す。
[58] "Sensible heat cooling capacity" refers to the amount of heat that can be transferred to a material in the absence of phase change.
[59] "Latent heat" is the energy (eg, heat) required to change a phase without a temperature change (eg, between a solid phase and a liquid or gas phase; or between a liquid and a gas phase). Refers to the amount of.
[60]「潜熱冷却容量」は、相変化によって材料に、または材料から伝達できるエネルギー(例えば、熱)の量を指す。
[61]「顕熱比」は、総冷却容量に対する顕熱冷却容量の比を指す。総冷却容量は多くの場合、顕熱冷却容量と潜熱冷却容量の合計である。
[60] "Latent heat cooling capacity" refers to the amount of energy (eg, heat) that can be transferred to or from a material by phase change.
[61] "Sensible heat ratio" refers to the ratio of sensible heat cooling capacity to total cooling capacity. The total cooling capacity is often the sum of the sensible heat cooling capacity and the latent heat cooling capacity.
[62]「カシー・バクスター状態」は、ハイブリッド界面が存在するテクスチャ化表面の上に液滴がある状態の形成を指し、典型的には、液滴の表面の下に捕捉された気体相の形態である。 [62] A "cassy-Baxter state" refers to the formation of a state in which a droplet is on a textured surface where a hybrid interface is present, typically of a gaseous phase trapped beneath the surface of the droplet. It is a form.
[63]「ウェンゼル状態」は、ある量の液体がテクスチャ化表面と接触しており、液体が下にある表面を濡らしている状態の形成を指す。
[64]「生の天然ガス」は、未処理の天然ガスを指し、それは、天然ガスの液体(例えば、凝縮物、天然ガソリン、液化石油ガス)、水、および他の不純物(例えば、窒素、二酸化炭素、硫化水素、ヘリウム)を含有してもよい。
[63] "Wenzel state" refers to the formation of a state in which a certain amount of liquid is in contact with the textured surface and the liquid is wetting the underlying surface.
[64] "Raw natural gas" refers to untreated natural gas, which includes liquids of natural gas (eg, condensates, natural gas, liquefied petroleum gas), water, and other impurities (eg, nitrogen,). It may contain carbon dioxide, hydrogen sulfide, helium).
[65]本明細書における相変化に関連する「水和」および「ホスト−ゲスト錯体形成」は、水の取り込みによる異なる相の形成、または包接化合物もしくは包接化合物状構造の形成を指す。 [65] As used herein, "hydration" and "host-guest complex formation" associated with phase change refer to the formation of different phases by the uptake of water, or the formation of clathrates or clathrate-like structures.
[66]「包接化合物(クラスレート)(clathrate)」は、1種の物質の分子が別の物質の結晶構造内に物理的に捕捉されている化合物を指す。
[67]「超臨界条件」は、材料が超臨界相に存在する温度および圧力条件を指す。「超臨界相」は、その臨界温度および圧力よりも高い温度および圧力の流体を指す。物質の臨界温度は、その温度を超えるとどれほど圧力を加えても物質の蒸気が液化できない温度である。物質の臨界圧力は、臨界温度で気体を液化するのに必要な圧力である。
[68]「スーパークール(supercool)」または「サブクール(subcool)」(過冷却)は、所与の圧力の場合に、第1の相の物質を第2の相への平衡相変化温度(例えば、露点または凝固点)未満の温度に冷却することを指し、物質は、第2の相に転移しない(例えば、物質は液体になることなく露点未満に冷える、または物質は固体になることなく凝固点未満に冷える)。
[66] “Clathrate” refers to a compound in which the molecule of one substance is physically trapped within the crystal structure of another substance.
[67] "Supercritical conditions" refers to the temperature and pressure conditions under which a material is in the supercritical phase. "Supercritical phase" refers to a fluid with a temperature and pressure higher than its critical temperature and pressure. The critical temperature of a substance is the temperature at which the vapor of the substance cannot be liquefied no matter how much pressure is applied above that temperature. The critical pressure of a substance is the pressure required to liquefy a gas at the critical temperature.
[68] "supercool" or "subcool" (supercooling) is the equilibrium phase change temperature (eg, for example) of a substance in the first phase to a second phase under a given pressure. Refers to cooling to a temperature below the dew point or freezing point, and the substance does not transition to the second phase (eg, the substance cools below the dew point without becoming liquid, or the substance is below the freezing point without becoming solid. It gets cold).
表面改質
[69]本明細書において、均一核形成臨界半径未満のサイズで球形または実質的に球形の液滴を維持する表面改質が提供され、それによって露点未満である核形成の発生時の表面温度がもたらされる。一部の実施形態において、水は、表面温度が平衡露点未満であっても、本明細書に記載される改質表面上では凝縮しない(例えば、十分な材料が凝集して、容易に観察できるか、接触角を測定できるほど大きな液体相を形成する)。
Surface modification
[69] As used herein, surface modifications are provided that maintain spherical or substantially spherical droplets with a size below the uniform nucleation critical radius, thereby causing surface temperature at the time of nucleation below the dew point. Is brought. In some embodiments, water does not condense on the modified surface described herein, even if the surface temperature is below the equilibrium dew point (eg, sufficient material agglomerates and is easily observable. Or form a liquid phase large enough to measure the contact angle).
[70]一部の実施形態において、表面改質は、障壁コーティング、化成コーティング、またはそれらの組合せの形態である。一実施形態において、表面改質は、ナノ構造の表面改質である。表面改質は、自由表面エネルギーの減少をもたらし、それによって、液滴は、臨界核形成半径未満のサイズでより球形となる。 [70] In some embodiments, the surface modification is in the form of a barrier coating, a chemical coating, or a combination thereof. In one embodiment, the surface modification is a nanostructured surface modification. Surface modification results in a reduction in free surface energy, which makes the droplet more spherical with a size less than the critical nucleation radius.
[71]特定の実施形態において、表面改質は、金属酸化物またはポリマーを含む。一実施形態において、表面改質は、アルキルまたはフルオロアルキルモノマー単位を含有するポリマーを含む。一実施形態において、表面改質は、堆積または変換によって作り出される金属酸化物層を含む。一実施形態において、表面改質は、アルキルまたはフッ素化化合物(複数可)によって終了される。 [71] In certain embodiments, the surface modification comprises a metal oxide or polymer. In one embodiment, the surface modification comprises a polymer containing an alkyl or fluoroalkyl monomer unit. In one embodiment, the surface modification comprises a metal oxide layer created by deposition or conversion. In one embodiment, the surface modification is terminated with an alkyl or fluorinated compound (s).
[72]一部の非限定的実施形態において、表面は、例えば、0.25M〜1Mの硝酸亜鉛、硝酸マグネシウム、および/または硫酸マンガンなどのII族または遷移金属塩と、0.1M〜2Mのヘキサミンまたは尿素などのアミンとの混合物に、約40℃〜約90℃の溶液温度で約5分〜約2時間の期間、洗浄した基板を浸漬することによって、ナノ構造の混合金属酸化物で改質される。次いで、サンプルを溶液から取り出し、すすぎ、約100℃〜約600℃の温度でベーキングすることができる。次いで、サンプルは、疎水性化学物質の希薄溶液、例えば、ステアリン酸のヘキサン溶液、ヘキサデシルホスホン酸のイソプロパノール溶液、またはエタノール中にパーフルオロデシルトリエトキシシランを含有する溶液に、約5分〜約120分間浸漬することができる。次いで、基板を取り出し、約105℃のオーブンで約1時間乾燥することができる。
[73]本明細書において使用し得る表面改質の非限定的実施形態は、例えば、WO2018/053452およびWO2018/053453に記載されており、その全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。
[72] In some non-limiting embodiments, the surface is 0.1M-2M with a Group II or transition metal salt such as, for example, 0.25M-1M zinc nitrate, magnesium nitrate, and / or manganese sulfate. By immersing the washed substrate in a mixture of amines such as hexamine or urea at a solution temperature of about 40 ° C to about 90 ° C for about 5 minutes to about 2 hours, with a nanostructured mixed metal oxide. It is reformed. The sample can then be removed from the solution, rinsed and baked at a temperature of about 100 ° C to about 600 ° C. The sample is then placed in a dilute solution of the hydrophobic chemical, eg, a hexane solution of stearate, an isopropanol solution of hexadecylphosphonic acid, or a solution containing perfluorodecyltriethoxysilane in ethanol for about 5 minutes to about. It can be immersed for 120 minutes. The substrate can then be removed and dried in an oven at about 105 ° C. for about 1 hour.
[73] Non-limiting embodiments of surface modifications that may be used herein are described, for example, in WO 2018/053452 and WO 2018/053453, which are incorporated herein by reference in their entirety.
使用用途
[74]本明細書に記載される改質表面の使用用途において、表面は、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁を増加させる。
Use applications
[74] In the use of modified surfaces described herein, the surface increases the energy barrier to phase change from the first phase to the second phase.
[75]一部の実施形態において、第1の相は、第2の相への平衡相転移値未満にサブクールされ、第1の相として依然として存在する。例えば、第1の相は、第2の相への平衡相転移値より約0.25℃〜約10℃、約0.25℃〜約1℃、約0.5℃〜約2℃、約1℃〜約5℃、約3℃〜約5℃、または約5℃〜約10℃下回る温度にサブクールされ、第1の相として依然として存在してもよい。一部の実施形態において、第1の相は、第2の相への平衡相転移値より約0.25℃、0.5℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、または10℃のいずれかより多く下回る温度にサブクールされ、第1の相として依然として存在してもよい。 [75] In some embodiments, the first phase is subcooled below the equilibrium phase transition value to the second phase and is still present as the first phase. For example, the first phase is about 0.25 ° C. to about 10 ° C., about 0.25 ° C. to about 1 ° C., about 0.5 ° C. to about 2 ° C., from the equilibrium phase transition value to the second phase. It may be subcooled to a temperature below 1 ° C. to about 5 ° C., about 3 ° C. to about 5 ° C., or about 5 ° C. to about 10 ° C. and still present as the first phase. In some embodiments, the first phase is about 0.25 ° C, 0.5 ° C, 1 ° C, 2 ° C, 3 ° C, 4 ° C, 5 ° C, from the equilibrium phase transition value to the second phase. It may be subcooled to a temperature greater than any of 6 ° C, 7 ° C, 8 ° C, 9 ° C, or 10 ° C and still present as the first phase.
[76]一部の実施形態において、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁は、均一核形成エネルギーの約50%〜約99%、約50%〜約70%、約60%〜約80%、約70%〜約90%、約80%〜約90%、約85%〜約95%、または約95%〜約99%である。一部の実施形態において、エネルギー障壁は、均一核形成障壁の約50%、60%、70%、80%、90%、95%、または99%のいずれかより大きくてもよい。 [76] In some embodiments, the energy barrier to the phase change from the first phase to the second phase is about 50% to about 99%, about 50% to about 70%, about 70% of the uniform nucleation energy. 60% to about 80%, about 70% to about 90%, about 80% to about 90%, about 85% to about 95%, or about 95% to about 99%. In some embodiments, the energy barrier may be greater than any of about 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, or 99% of the uniform nucleation barrier.
[77]一部の実施形態において、核形成は、約5℃を超える過冷却で抑制される。
[78]一実施形態において、第1の相は水蒸気からなるか、水蒸気から本質的になり、第2の相は水液体または氷である。別の実施形態において、第1の相は水蒸気を含有する空気であり、第2の相は液体水または氷である。別の実施形態において、第1の相は液体水であり、第2の相は水氷である。別の実施形態において、第1の相は空気と水蒸気からなるか、空気と水蒸気から本質的になり、第2の相は水氷である。別の実施形態において、第1の相は二酸化炭素蒸気であり、第2の相は二酸化炭素氷(ドライアイス)である。別の実施形態において、第1の相は液体であり、第2の相は固体相の凝縮である。別の実施形態において、第1の相は金属蒸気であり、第2の相は凝縮した金属蒸気である。
[77] In some embodiments, nucleation is suppressed by supercooling above about 5 ° C.
[78] In one embodiment, the first phase consists of water vapor or is essentially water vapor, and the second phase is water liquid or ice. In another embodiment, the first phase is water vapor containing air and the second phase is liquid water or ice. In another embodiment, the first phase is liquid water and the second phase is water ice. In another embodiment, the first phase consists of air and water vapor, or essentially consists of air and water vapor, and the second phase is water ice. In another embodiment, the first phase is carbon dioxide vapor and the second phase is carbon dioxide ice (dry ice). In another embodiment, the first phase is a liquid and the second phase is a condensation of a solid phase. In another embodiment, the first phase is metal vapor and the second phase is condensed metal vapor.
[79]本明細書に記載される使用用途の一部の実施形態において、形成の臨界半径での凝縮液滴は、脱濡れ状態(即ち、カシー・バクスター状態)で改質表面上に存在する。
[80]熱交換器/熱伝達の使用方法は、本明細書の材料を使用して、熱交換を促進し、凝縮が観察される温度を低下させることを含む。更に、熱交換器上でのこれらの材料を使用して結霜が起こる温度を低下させることは、動作実行時間を増加させ、氷形成が熱伝達性能に与える影響を最小限に抑え、システムの作動範囲を増加させることにより、従来の材料よりも恩恵をもたらす。本明細書に記載される材料を、例えば、熱交換器の1つまたは複数の表面上にコーティングまたは層として含む熱交換器も提供され、表面材料は、熱交換を促進し、凝縮が観察される温度、および/または結霜が起こる温度を低下させるという機能的特性を提供する。
[79] In some embodiments of the applications described herein, condensed droplets at the critical radius of formation are present on the modified surface in a dewetting state (ie, Cassie Baxter state). ..
[80] The use of heat exchangers / heat transfer involves using the materials herein to facilitate heat exchange and reduce the temperature at which condensation is observed. In addition, using these materials on heat exchangers to reduce the temperature at which frost occurs increases operational execution time, minimizes the impact of ice formation on heat transfer performance, and of the system. By increasing the operating range, it benefits more than conventional materials. Heat exchangers are also provided in which the materials described herein are included, for example, as a coating or layer on one or more surfaces of the heat exchanger, the surface materials facilitate heat exchange and condensation is observed. It provides the functional property of lowering the temperature and / or the temperature at which frost occurs.
[81]ガラス窓、鏡、またはレンズの使用用途は、本明細書に記載される表面改質を使用して、視覚的用途にとって望ましくない凝縮を防止することを含む。更に、使用方法は、ガラス上に装飾的なパターンを提供するためにパターン化および使用できる材料、例えば、審美的に好ましい形(aesthetically pleasing manner)で凝縮が起こるように、水、ワインまたはビールグラスの外側にパターンを形成することを含んでもよい。ガラス、鏡、またはレンズの表面上に本明細書に記載される材料を、例えば、コーティングまたは層として含むガラス、鏡、およびレンズも提供され、表面材料は、望ましくない凝縮を防止するという機能的特性を提供し、一部の実施形態においては、装飾的なパターンの表面コーティングまたは層を含む。 [81] Applications for glass windows, mirrors, or lenses include the use of surface modifications described herein to prevent condensation that is undesirable for visual applications. In addition, the usage is a water, wine or beer glass so that condensation occurs in a material that can be patterned and used to provide a decorative pattern on the glass, eg, in an aesthetically pleasing manner. It may include forming a pattern on the outside of the. Glasses, mirrors, and lenses that include, for example, as a coating or layer, the materials described herein on the surface of glass, mirrors, or lenses are also provided, and the surface materials are functional in that they prevent unwanted condensation. It provides properties and, in some embodiments, includes a surface coating or layer of a decorative pattern.
[82]コンピュータケース/ラックの冷却の使用用途は、本明細書に記載される表面改質を使用して、望ましくない凝縮に関連する電子機器の損傷を防止することを含む。更に、使用方法は、本明細書に記載される表面改質を適用してコンピュータケースまたはラックの最も冷たい構成要素上での凝縮物の形成に対する追加の操作上の障壁を提供することを含んでもよい。凝縮に必要な推進力を増加させると、追加的な安全の操作上の余裕がもたらされる。コンピュータケースまたはラックの表面上に本明細書に記載される表面改質を、例えば、コーティングまたは層として含むコンピュータケースおよび/またはラックも提供され、表面材料は、電子機器に損傷を与える可能性のある望ましくない凝縮を防止するという機能的特性を提供する。 [82] Applications for computer case / rack cooling include using the surface modifications described herein to prevent damage to electronics associated with unwanted condensation. Further, the method of use also includes applying the surface modifications described herein to provide an additional operational barrier to the formation of condensates on the coldest components of a computer case or rack. good. Increasing the propulsion required for condensation provides additional safety operational margin. Computer cases and / or racks that include, for example, as a coating or layer, the surface modifications described herein on the surface of a computer case or rack are also provided, and the surface material can damage the electronics. It provides the functional property of preventing certain unwanted condensations.
[83]気体気化器の使用用途は、本明細書に記載される表面改質を使用して、液体窒素交換器などであるがこれに限定されない気化器熱交換器上での望ましくない凝縮および霜を防止することを含む。気化器熱交換器上での凝縮物および氷の形成は、熱交換器の有効性を制限するため、膨張気体の利用可能な流れを低減するか、より大型の熱交換器を必要とする。本明細書に記載される表面改質の使用の二次的な利点は、交換器上に形成された氷を剥落させる能力の向上である。気体気化器の表面上に、例えば、液体窒素交換器などの気化器熱交換器の表面上に、例えば、コーティングまたは層として本明細書に記載される表面改質を含む気体気化器も提供され、表面材料は、望ましくない凝縮および/または霜を防止するという機能的特性を提供する。 [83] Gas vaporizers are used for undesired condensation on vaporizer heat exchangers, such as, but not limited to, liquid nitrogen exchangers using the surface modifications described herein. Includes preventing frost. The formation of condensates and ice on the vaporizer heat exchanger reduces the available flow of expanded gas or requires a larger heat exchanger to limit the effectiveness of the heat exchanger. A secondary advantage of the use of surface modifications described herein is an increased ability to shed ice formed on the exchanger. Also provided are gas vaporizers comprising surface modifications described herein, eg, as coatings or layers, on the surface of gas vaporizers, eg, on the surface of vaporizer heat exchangers such as liquid nitrogen exchangers. The surface material provides the functional property of preventing unwanted condensation and / or frost.
[84]防汚凝縮の使用用途は、本明細書に記載される表面改質を使用して、気化器デバイス上での望ましくない凝縮を防止することを含む。こうした実施形態において、凝縮の防止は、より重質の成分および天然油の付着および堆積を防止することが意図されている。一例は、グリコールベースの電子たばこまたは他の同様のデバイスである。追加の防汚用途としては、ノズルベースの感熱式プリンタおよびデバイスが挙げられる。電子たばこもしくは類似のデバイス、または感熱式プリンタもしくはデバイスのノズルなどの気化器の表面上に、例えば、コーティングまたは層として本明細書に記載される表面改質を含む気化器も提供され、表面材料は、凝縮を防止して重質成分および油の付着および/または堆積を防止するという機能的特性を提供する。 [84] Applications of antifouling condensation include using the surface modifications described herein to prevent unwanted condensation on the vaporizer device. In these embodiments, prevention of condensation is intended to prevent the adhesion and deposition of heavier components and natural oils. One example is a glycol-based e-cigarette or other similar device. Additional antifouling applications include nozzle-based thermal printers and devices. Vaporizers comprising surface modifications described herein, eg, as coatings or layers, are also provided on the surface of vaporizers such as e-cigarettes or similar devices, or thermal printers or device nozzles, surface materials. Provides the functional properties of preventing condensation and the adhesion and / or deposition of heavy components and oils.
[85]エンジン/ノズル着氷の使用用途は、エンジンおよび燃焼ノズルの用途における二酸化炭素の凝縮を防止することを含む。エンジンまたはノズルの表面上に、例えば、コーティングまたは層として本明細書に記載される表面改質を含む燃焼エンジンおよびノズルも提供され、表面材料は、二酸化炭素の凝縮を防止するという機能的特性を提供する。 [85] Applications for engine / nozzle icing include preventing the condensation of carbon dioxide in engine and combustion nozzle applications. Combustion engines and nozzles are also provided on the surface of the engine or nozzle, including, for example, the surface modifications described herein as a coating or layer, the surface material having the functional property of preventing the condensation of carbon dioxide. offer.
[86]水和物および包接化合物防止の使用用途は、圧縮天然ガス生産、または高圧掘削用途におけるメタン包接化合物堆積などの、処理装置における産業向けの気体および液体の処理中の水および気体水和物の形成を防止することを含む。処理装置の表面上に、例えば、コーティングまたは層として本明細書に記載される表面改質を含む産業向けの気体および液体用の処理装置も提供され、表面材料は、水および気体水和物形成を防止するという機能的特性を提供する。 [86] Hydrate and inclusion compound prevention uses include water and gas during the treatment of industrial gases and liquids in treatment equipment, such as compressed natural gas production or methane inclusion compound deposition in high pressure drilling applications. Includes preventing the formation of hydrates. Industrial gas and liquid treatments, including, for example, surface modifications described herein as coatings or layers, are also provided on the surface of the treatment equipment, where the surface material is water and gas hydrate formation. Provides the functional property of preventing.
[87]金属蒸気凝縮防止の使用用途は、均一性および堆積防止が正確な動作にとって重要である、金属蒸気照明、または高度なリソグラフィ用途の作動中の金属凝縮を防止することを含む。装置の表面上に、例えば、コーティングまたは層として本明細書に記載される表面改質を含む金属蒸気照明およびリソグラフィ装置も提供され、表面材料は、装置の作動中の金属凝縮を防止するという機能的特性を提供する。 [87] Applications for metal vapor condensation prevention include preventing metal vapor condensation during operation for metal vapor lighting, or advanced lithography applications, where uniformity and deposition prevention are important for accurate operation. Metal vapor illumination and lithography equipment is also provided on the surface of the equipment, including, for example, surface modifications described herein as coatings or layers, the surface material having the ability to prevent metal condensation during operation of the equipment. Provides a characteristic.
[88]下記の実施例は、本発明を説明することが意図されているが、本発明を限定するものではない。 [88] The following examples are intended to illustrate the invention, but are not intended to limit the invention.
実施例1
[89]0.25M〜1Mの硝酸亜鉛、硝酸マグネシウムおよび/または硫酸マンガンなどのII族または遷移金属塩と、0.1M〜2Mのヘキサミンまたは尿素などのアミンとの混合物に、40℃〜90℃の溶液温度で5分〜2時間の期間、洗浄したアルミニウム板を浸漬することによって、アルミニウム板をナノ構造の混合金属酸化物で改質した。次いで、サンプルを溶液から取り出し、すすぎ、100℃〜600℃の温度でベーキングした。次いで、サンプルをステアリン酸のヘキサン希薄溶液、イソプロパノールのヘキサデシルホスホン酸希薄溶液、またはエタノール中にパーフルオロデシルトリエトキシシランを含有する溶液に、30〜90分間浸漬した。次いで、サンプルを取り出し、105℃のオーブンで1時間乾燥させた。
Example 1
[89] 40 ° C.-90 in a mixture of Group II or transition metal salts such as 0.25M-1M zinc nitrate, magnesium nitrate and / or manganese sulfate and amines such as 0.1M-2M hexamine or urea. The aluminum plate was modified with a nanostructured mixed metal oxide by immersing the washed aluminum plate at a solution temperature of ° C. for a period of 5 minutes to 2 hours. The sample was then removed from the solution, rinsed and baked at a temperature of 100 ° C. to 600 ° C. The sample was then immersed in a hexane dilute solution of stearic acid, a hexadecylphosphonic acid dilute solution of isopropanol, or a solution containing perfluorodecyltriethoxysilane in ethanol for 30-90 minutes. The sample was then removed and dried in an oven at 105 ° C. for 1 hour.
[90]表面改質されたアルミニウム板を、表面に置き、−10℃に冷却した状態で顕微鏡を通して撮影した。コーティングしていないサンプルでは、凝縮が遙かに早く始まるのが観察され、コーティングしたサンプルは、遙かに遅く、表面温度を露点未満に低下させると凝縮が始まった(図1A)。実験を続けると、コーティングしていないサンプルは、水を氷に核形成した一方、コーティングしたサンプルは、液体水のままであった(図1B)。この例は、蒸気から液体への転移および液体から固体への転移の両方に対する核形成障壁を示している。 [90] A surface-modified aluminum plate was placed on the surface and photographed through a microscope while being cooled to −10 ° C. Condensation was observed to begin much earlier in the uncoated sample, much slower in the coated sample, and condensation began when the surface temperature was lowered below the dew point (FIG. 1A). Continuing the experiment, the uncoated sample nucleated water into ice, while the coated sample remained liquid water (Fig. 1B). This example shows a nucleation barrier for both vapor-to-liquid and liquid-to-solid transitions.
実施例2
[91]熱交換器の表面を、実施例1に記載されたようにして、核形成障壁コーティングで改質した。着氷テストを実施し、閉ループ風洞内で熱交換器と空気を同時に0℃未満の温度に冷却して、結霜の発生を判定した。図2は、テストの結果を示し、未改質の熱交換器は氷を形成し始め、表面改質済の熱交換器は、氷を形成しなかった(中央の帯、核形成障壁と表示)。この表面改質は、対照の未改質表面と比較して、核形成の温度を約2℃低下させた。
Example 2
[91] The surface of the heat exchanger was modified with a nucleation barrier coating as described in Example 1. An icing test was carried out to determine the occurrence of frost by simultaneously cooling the heat exchanger and air to a temperature below 0 ° C. in a closed loop wind tunnel. Figure 2 shows the results of the test, where the unmodified heat exchanger began to form ice and the surface modified heat exchanger did not form ice (labeled central band, nucleation barrier). ). This surface modification lowered the temperature of nucleation by about 2 ° C. as compared to the unmodified surface of the control.
実施例3
[92]図3に示すように、閉ループ空調システムは、30℃、50%相対湿度(RH)の室内空気を、サーバーラックを通して循環させ、そこで空気は、約40℃、27%RHに加熱される。空気は即座に、冷却剤が20℃で入る液体空気熱交換器に通される。
Example 3
[92] As shown in FIG. 3, a closed-loop air conditioning system circulates indoor air at 30 ° C. and 50% relative humidity (RH) through a server rack, where the air is heated to about 40 ° C. and 27% RH. NS. The air is immediately passed through a liquid air heat exchanger in which the coolant enters at 20 ° C.
[93]図4に示すように、サーバーラックに出入りする空気はどちらも、平衡露点が18℃である。未改質の熱交換器を使用すると、制御システムに2℃の誤差が残り、サーバーラックに滴り落ちる可能性のある凝縮を防止する。熱交換器に凝縮核形成障壁を追加することにより、エネルギー障壁が追加され、16℃まで凝縮が観察されなくなり、効果的に安全余裕度が倍増して、装置に更なる保護が追加される。 [93] As shown in FIG. 4, both air entering and exiting the server rack has an equilibrium dew point of 18 ° C. The use of unmodified heat exchangers leaves a 2 ° C error in the control system to prevent condensation that can drip into the server rack. By adding a condensed nucleation barrier to the heat exchanger, an energy barrier is added, condensation is not observed up to 16 ° C, effectively doubling the safety margin and adding additional protection to the device.
実施例4
[94]2枚の3003アルミニウム板、改質済1枚と未改質の対照1枚を、−10℃に冷却した冷却板上に並べて熱的に結合させた。空気温度は約22℃、湿度は40%であった。この空気を長さ243.84cm(8フィート)の風洞に約2m/sの前面風速で通過させて、これらの板の表面を通過させた。表面は、実施例1と同様の手順で改質した。この実験を開始する前に冷却板をオン・オフして、冷却板を1時間結霜させ、10分間除霜した。図5A〜5Eの画像の進行は、図5Aの約30秒の時点から図5Eの約1時間の時点までの時間の経過に伴う相変化を示す。改質表面は、液体水から水氷への相変化を遅延させ、その後のその形成を減速する。1時間後、改質済サンプル上には依然として液体水が存在するが、未改質のサンプルでは、液体水は完全に凍結する。
Example 4
[94] Two 3003 aluminum plates, one modified and one unmodified control, were placed side by side on a cooling plate cooled to −10 ° C. and thermally coupled. The air temperature was about 22 ° C. and the humidity was 40%. This air was passed through a 243.84 cm (8 ft) long wind tunnel at a frontal wind speed of approximately 2 m / s and through the surfaces of these plates. The surface was modified in the same procedure as in Example 1. Before starting this experiment, the cooling plate was turned on and off, the cooling plate was frosted for 1 hour, and defrosted for 10 minutes. The progression of the images in FIGS. 5A-5E shows the phase change over time from the time point of about 30 seconds in FIG. 5A to the time point of about 1 hour in FIG. 5E. The modified surface delays the phase transition from liquid water to water ice and slows its subsequent formation. After 1 hour, liquid water is still present on the modified sample, but in the unmodified sample the liquid water freezes completely.
実施例5
[95]未改質のアルミニウムプレートと、実施例1に記載した方法に従い改質されたアルミニウムプレートを、表面温度約−5℃に設定した熱電冷却板上に置いた。風洞内にて、前面風速1.5m/s、空気温度および相対湿度はそれぞれ25℃および40%で、プレートを横切るように空気を通過させた。顕微鏡を使用して氷の厚さを測定し、断面を時間の関数と見なした。時間の関数としての氷の厚さのプロットを図6に図示する。改質済のアルミニウムプレート上では、顕微鏡による測定では結霜の発生は11分に始まり、霜を形成するまで未改質プレートよりも6分長くかかった。相変化におけるこの障壁遅延は、持続時間全体にわたって継続し、2時間後に3mm薄い氷の層が生じた。未改質プレート上の氷の厚さは7mmであったが、改質されたプレート上の氷の厚さは4mmであった。
Example 5
[95] The unmodified aluminum plate and the aluminum plate modified according to the method described in Example 1 were placed on a thermoelectric cooling plate set to a surface temperature of about −5 ° C. In the wind tunnel, the front wind speed was 1.5 m / s, the air temperature and relative humidity were 25 ° C. and 40%, respectively, and air was passed across the plate. Ice thickness was measured using a microscope and the cross section was considered a function of time. A plot of ice thickness as a function of time is illustrated in FIG. On the modified aluminum plate, microscopic measurements began with frost formation starting at 11 minutes and taking 6 minutes longer to form frost than the unmodified plate. This barrier delay in phase change continued throughout the duration, resulting in a 3 mm thin layer of ice after 2 hours. The thickness of ice on the unmodified plate was 7 mm, whereas the thickness of ice on the modified plate was 4 mm.
実施例6
[96]2.54cm(1インチ)当たり4枚の平行なフィンを備えたアルミニウムフィンのステンレス鋼管熱交換器を、実施例1に記載したようにして、な相変化障壁コーティングで改質し、未改質の熱交換器と比較して風洞でテストした。グリコール冷媒の温度を−4℃に設定し、毎秒約800グラムの流量でコイルの管側を通過させた。コイルのフィン側を通して空気を前面風速3m/s、入口温度および湿度はそれぞれ2℃および83%で通過させた。コイルの熱伝達容量と空気側圧力降下を5時間監視した。未改質コイル上では、水が空気から凝縮し、水の凝固点未満の温度であった表面上で即座に凍結した。これにより、圧力降下が増加した。フィンが相変化障壁コーティングで改質された熱交換器上では、表面上の液体水が凍結するのに遙かに長い時間を要し、その結果、空気から凝縮した水が長時間コイルから流出した。5時間後、未改質コイル上での空気側圧力降下は約195Paであり、改質済コイル上での空気側圧力降下は約140Paであった。この液体から固体への相変化の遅延は、空気側圧力降下に約30%の向上をもたらした。時間の関数としての空気側圧力降下のプロットを、図7に示す。
Example 6
[96] Aluminum fin stainless steel pipe heat exchangers with four parallel fins per 2.54 cm (1 inch) were modified with a phase change barrier coating as described in Example 1. Tested in a wind tunnel compared to an unmodified heat exchanger. The temperature of the glycol refrigerant was set to -4 ° C and passed through the tube side of the coil at a flow rate of about 800 grams per second. Air was passed through the fin side of the coil at a front wind speed of 3 m / s and inlet temperature and humidity of 2 ° C. and 83%, respectively. The heat transfer capacity of the coil and the pressure drop on the air side were monitored for 5 hours. On the unmodified coil, water condensed from the air and immediately frozen on a surface that was below the freezing point of the water. This increased the pressure drop. On heat exchangers where the fins have been modified with a phase change barrier coating, the liquid water on the surface takes a much longer time to freeze, resulting in the water condensed from the air flowing out of the coil for an extended period of time. bottom. After 5 hours, the air pressure drop on the unmodified coil was about 195 Pa and the air pressure drop on the modified coil was about 140 Pa. This delay in the liquid-to-solid phase change resulted in an improvement of about 30% in the air pressure drop. A plot of air pressure drop as a function of time is shown in FIG.
[97]前述の発明は、理解を明確にするために例示および例として幾分詳細に説明されてきたが、添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の精神および範囲から逸脱することなく特定の変更および修正を実施できることは当業者には明らかである。したがって、説明は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。 [97] The invention described above has been described in some detail as examples and examples to clarify understanding, but deviates from the spirit and scope of the invention described in the appended claims. It is clear to those skilled in the art that certain changes and modifications can be made without. Therefore, the description should not be construed as limiting the scope of the invention.
[98]本明細書で引用される刊行物、特許、および特許出願は全て、あらゆる目的のために、個々の刊行物、特許、または特許出願が参照により組み込まれることが具体的かつ個別に示された場合と同程度に、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[98] All publications, patents, and patent applications cited herein specifically and individually indicate that an individual publication, patent, or patent application is incorporated by reference for any purpose. The whole is incorporated herein by reference in its entirety, as if it had been.
Claims (57)
表面改質を含む改質表面を提供する工程であって、前記改質表面が、前記表面改質を含まないことを除き前記改質表面と同一の未改質表面と比較して、前記改質表面と接触している物質について、第1の相から第2の相への相変化に対するエネルギー障壁、または前記相変化に必要な推進力を増加させる、前記工程;および
蒸気相および/または液体相の物質を含む少なくとも1つの第1の相の物質を含む流体流を、前記未改質表面上で第2の相への相変化が起こり得る環境条件下で前記改質表面と接触させる工程;
を含み、
前記未改質表面と比較して、前記改質表面上では前記相変化が、防止または遅延される、前記方法。 A method for preventing or delaying the occurrence of phase changes on the surface.
In the step of providing a modified surface including surface modification, the modified surface is compared with an unmodified surface which is the same as the modified surface except that the modified surface does not contain the surface modification. For substances in contact with the quality surface, the steps that increase the energy barrier to the phase change from the first phase to the second phase, or the driving force required for the phase change; and the vapor phase and / or liquid. A step of bringing a fluid stream containing at least one first phase substance containing a phase substance into contact with the modified surface under environmental conditions where a phase change to the second phase can occur on the unmodified surface. ;
Including
The method, wherein the phase change is prevented or delayed on the modified surface as compared to the unmodified surface.
56. The method of claim 56, wherein uniformity and prevention of deposition are important for the accurate operation of the advanced lithography apparatus.
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